KR100213315B1 - 탄소성형체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핏치류를 원료로 하여 기계용 부품, 전기 부품 및 화학장치 구조용등에 사용되는 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 핏치에 적정량의 산소를 함유시키고 이를 원료로 이용하여 급속탄화하므로서, 고밀도 및 고강도의 특성을 갖는 탄소성형체의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소성형체의 제조방법에 있어서, 연화점이 280℃ 이상인 핏치를 100㎛ 이하인 분말로 분쇄한 후, 산소 분위기하에서 200-270℃ 에서 0.5-24 시간 산화처리하여 산화핏치 분알을 제조한 다음, 상기 산화핏치분말을 100-2000kg/㎠ 의 압력으로 가압성형한 후, 불활성 분위기에서 분당 50-500℃ 의 승온속도 범위로 900-1500℃의 온도 범위까지 승온하여 탄화하는 것을 포함하고 이루어지는 탄소성형체의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

탄소성형체의 제조방법

본 발명은 핏치류를 원료로 하여 기계용 부품, 전기부품 및 화학장치구조용 등에 사용되는 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고연화점 핏치를 원료로 이용하여 고강도 및 고밀도 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소성형체는 기계용 부품, 전기부품 및 화학장치구조용등 다방면에 있어서 탄소재가 지닌 특유의 성질, 즉 높은 고온강도, 내식성, 내화학성 및 자기윤활성등을 이용하여 기존의 다른 재료가 사용되기 어려운 분야에서 유용하게 응용되고 있다.

이러한 탄성성형체는 천연흑연과 인조흑연을 원료로 하여 결합재와 혼합하여 가압 성형한 후 탄화함으로써 제조하여 왔으나, 이 방법은 탄화도중에 결합재에 포함되어 있는 휘발분이 제거됨에 따라, 탄화후 많은 기공이 생기게 되며, 이 기공을 메워주기 위하여 다시 결합재를 기공에 함침시키고 탄화하는 과정을 여러번 반복하여야 하므로 경제성이 떨어진다.

이를 개선하기 위하여 결합재를 사용하지 않고 탄소입자만으로 탄소성형체를 제조하는 방법이 제안되어 왔는데, 그 대표적인 예로서 다음과 같은 방법을 들 수 있다.

즉,일본특개소 53-4016호에 제시된 바와 같이, 핏치를 열처리한 후 생성된 메조페이즈 미소(微少)입자를 분리하여 이를 가압성형하여 탄소재를 제조하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법은 상기 미소입자의 함량이 적어 수율이 낮을 뿐만 아니라, 미소입자의 분리가 어렵고 공정이 복잡하여 제조에 장시간이 요구되는 단점이 있다.

유럽특허 283211호는 95% 이상의 이방화율을 가진 메조페이스 핏치를 유기용매와 함께 볼밀로 분쇄하여 10㎛ 이하의 입자로 만든 후 이를 공기산화 내지 액상산화물로 불용화하여 가압성형하는 방법을 제시하고 있으나, 이 방법은 이 방화율이 95%이상인 메조페이즈 핏치를 제조하는 과정과 유기용매를 사용하는 전처리 과정이 포함될 뿐 아니라 사용 이후 유기용매를 분리하는 공정이 첨가되는 문제점이 있다.

또한, 생코코스 1-5㎛ 로 미분쇄한 후 이를 고온고압하에서 성형하는 방법이 알려져 있다(탄소,No. 109,p.41,1982). 이 방법에서는 원료는 비교적 제한되지 않으나 이를 미분쇄하여야 하기 때문에 분쇄동력에 많은 비용이 소요되며 또한 성형시 고온 고압(통상 2000℃,2000kg/㎠)이 요구되는 단점이 있었다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 핏치에 대하여 여러가지 다양한 개질처리를 해본 결과, 적절한 처리방법을 통하여 적정량의 산소가 균일하게 함유된 산화핏치를 제조함으로써 자기소결성을 지니게 하여 결합재가 없이도 성형이 가능할 뿐 아니라 탄화수율도 증가하기 때문에, 간단한 방법으로 탄소성형체를 제조할 수 있음을 알았으며, 또한 상기 산회핏치를 성형한 후 탄화할때 급속 승온함으로써 좀더 밀도의 강도가 높은 탄소성형체를 제조할 수 있음을 발견하고, 이에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 핏치에 적정량의 산소를 함유시키고 이를 원료로 이용하여 급속타화함으로서, 고밀도 및 고강도 특성을 갖는 탄소성형체의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 탄소성형체의 제조방법에 있어서, 연화점이 280℃ 이상인 핏치를 100㎛ 이하인 분말을 분쇄한 후, 산소 분위기에서 200-270℃ 에서 0.5-24시간 산화처리하여 산화핏치분말을 제조한 다음, 상기 산화핏치 분말을 100-2000kg/㎠ 의 압력으로 가압성형한 후, 불활성 분위기에서 분당 50-500℃ 의 승온속도 범위로 900-1500℃ 의 온도범위까지 승온하여 탄화하는 것을 포함하여 이루어지는 탄소성형체 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 핏치분말을 회전반응관에 넣고 산화처리하여 적정량의 산소가 균일하게 함유된 산화핏치 분말을 제조하고, 이를 가압성형한 후 급속탄화하면, 원료의 탄화수율을 높일 수 있고 탄화중에는 성형체의 팽창 또는 변형을 방지하여 고밀도, 고강도의 탄소성형체를 제조할 수 있는데 그 특징이 있다.

본 발명에 있어서, 원료인 핏치로는 핏치의 광학적 성상 및 형태의 무관하게 콜타르나 석유계 중질유로부터 제조된 석탄계 핏치 및 석유계 핏치 또는 기타 유기물로부터 합성된 핏치를 모두 사용할 수 있다. 그러나 상기 핏치의 연화점이 280℃ 이하인 경우에는 산화처리 온도에서 핏치분말이 연화 또는 용융되어 분말표면이 서로 융착하여 산화처리가 불충분하게 됨으로써 상기 핏치는 연화점이 최소 280℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한 상기 핏치분말은 통상적인 방법으로 분쇄할 수 있으나 100㎛ 이하의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하다. 핏치분말의 크기가 100㎛ 이상이 되면 산화처리시 산소가 분말의 내부까지 충분하게 확산하기 어려워 산소함유량을 증대시키기 어렵기 때문이다.

또한, 상기 핏치분말은 산소분위기하에서 200-270℃ 에서 산화처리하는 것이 바람직하다. 산화처리 온도가 200℃ 이하인 경우에는 핏치의 산화반응이 불충분하거나 매우 느리게 되며, 270℃ 이상에서는 핏치분말이 연화 또는 용융하여 분말 표면이 서로 융착하여 충분히 산화되지 못한다. 산화처리 시간은 저온에서는 비교적 장시간 소요되고 고온에서는 단시간내에 산화처리되지만, 상기 온도범위에서는 0.5 내지 24 시간이면 충분한다. 그러나 산화처리 시간은 각 산화온도에서 핏치의 산소 함유량이 7-15중량% 가 되도록 조절하는 것이 더욱 바람직하다. 핏치의 산소함유량이 7% 이하인 경우에는 핏치 분자간의 가교반응이 불충분하여 성형한 후 탄화할 때 휘발성분이 발생되어 성형체가 팽창하기 때문이며, 반면에 산소함유량이 15중량% 이상인 경우에는 반응이 지나쳐 고화함으로써 핏치분말의 소결성이 사라지고 따라서 성형체의 강도가 저하하기 때문이다.

한편, 상기 산화처리시 처리하고자 하는 분말의 양이 적은 경우에는 분말을 통상의 반응로 내부에 분산시켜 놓은 상태에서 수행하여도 무방하나, 분말의 양이 많은 경우에는 각 분말에 대하여 균일하게 산화처리되기 어려우므로 로타리 킬른(rotary kiln)이나 텀블링 베드(tumbling bed)와 같이 반응관이 회전할 수 있는 회전반응관을 이용하여 분말이 동적 상태를 유지하도록 하는 것이 보다 바람직하다. 반응관의 회전속도는 핏치분말이 골고루 유동할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하여, 1 내지 100rpm의 속도면 충분하다.

상기의 산화처리가 끝난 산화핏치분말을 가압 성형하게 되는데, 그 방법은 프레스등을 이용한 통상의 방법으로 가능하다. 또한 가압성형시의 압력은 100 내지 2000kg/㎠ 이 바람직한데, 이는 100kg/㎠ 이하에서는 핏치분말간의 결합력이 약하여 쉽게 부숴지기 때문이며, 2000kg/㎠ 이상에서는 성형체 내부에 균열이 발생하여 강도를 저하시키기 때문이다.

상기의 성형이 끝난 후에는 불활성 분위기 하에서 탄화하게 되는데, 탄화시 승온속도가 분당 50-500℃ 의 온도범위인 것이 보다 바람직하다. 분당 50℃ 이하의 승온속도로 탄화할 경우에는 핏치분자가 열분해하여 기화함으로써 핏치의 중량이 감소하여 밀도가 저하되나, 분당 50℃ 이상으로 급속승온할 경우에는 핏치 분자가 열분해할 충분한 시간적 여유를 갖지 못하고 탄화함으로써 핏치의 중량감소를 방지할 수 있다. 그리고 승온속도가 분당 500℃ 일 경우에는 성형체 내부의 온도 분포가 불균일해지므로 바람직하지 않다.

급속탄화하는 방법으로는 통상의 저항가열로로는 어렵고, 유도 가열로, 레이져 가열로, 적외선 가열로 등으로 가능하다. 탄화온도는 산화핏치 분말의 소결이 충분히 일어나 탄화후 강도를 유지할 수 있을 정도면 충분하며, 통상 900-1500℃ 의 온도범위에서 행함이 바람직하다.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

[발명예 1]

연화점이 310℃ 인 석탁계 핏치를 분쇄 및 분급하여 직경 50-75㎛ 인 분말로 만들고, 원통형 회전반응관에 넣은 후 10rpm 의 속도로 회전시키면서 분당 10℃의 승온속도로 가열하여 공기분위기하에서 250℃ 에서 1시간 산화처리하였다. 상기 산화핏치분말을 원소분석한 결과 산소의 함량이 7.79중량% 이었으며, 이를 실온에서 500kg/㎠ 의 압력으로 가압성형하여 직경이 12.7㎜ 이고 높이가 10㎜ 인 성형체를 제조한 후, 유도 가열로를 이용하여 질소분위기하에서 분당 75℃ 의 승온속도로 가열하여 1200℃ 에서 1시간 탄화한 후, 탄화체의 겉보기 밀도와 압축강도를 측정한 결과, 탄소성형체의 겉보기 밀도는 1.51g/㎤ 이었고, 압축강도는 850kg/㎠ 이었다.

[비교예 1]

상기 발명예(1)과 동일한 방법으로 탄소성형체를 제조하되, 단 승온속도를 분당 10℃ 로 탄화하였다. 탄화한 후, 탄소성형체의 겉보기 밀도는 1.39g/㎤ 이었고, 압축강도는 54kg/㎤ 이었다.

[발명예 2]

연화점이 310℃ 인 선탁계 핏치를 분쇄 및 분급하여 직경 50㎛ 이하인 분말로 만들고, 원통형 회전반응관에 넣은 후 30rpm 의 속도로 회전시키면서 분당 10℃ 의승온속도로 가열하여 공기분위기하에서 220℃ 에서 4시간 산화처리하였다. 상기 산화핏치분말을 원소분석한 결과 산소의 함량이 8.50중량% 이었으며, 이를 실온에서 700kg/㎠ 의 압력으로 가압성형하여 직경이 12.7㎜ 이고 높이가 10㎜ 인 성형체를 제조한 후, 유도 가열로를 이용하여 질소분위기하에서 분당 120℃ 의 승온속도로 가열하여 1200℃ 에서 1시간 탄화한 후, 탄화체의 겉보기 밀도와 압축강도를 측정한 결과, 탄소성형체의 겉보기 밀도는 1.55g/㎤ 이었고, 압축강도는 925kg/㎠ 이었다.

[발명예 3]

상기 발명예(2)와 동일한 방법으로 탄소성형체를 제조하되, 단 산화처리를 250℃에서 1시간 수행하였다. 산화처리후의 산화 핏치분말의 산소함량은 9.25중량%로 측정되었으며, 탄화후 탄소성형체의 겉보기 밀도는 1.49g/㎤ 이었고 압축당도는 782kg/㎠ 이었다.

[발명예 3]

연화점이 328℃ 인 선탁계 핏치를 분쇄 및 분급하여 직경 50-75㎛ 인 분말로 만들고, 원통형 회전반응관에 넣은 후 10rpm 의 속도로 회전시키면서 분당 10℃의 승온속도로 가열하여 공기분위기하에서 200℃ 에서 24시간 산화처리하였다. 상기 산화핏치분말을 원소분석한 결과 산소의 함량이 13.4중량% 이었으며, 이를 실온에서 300kg/㎠ 의 압력으로 가압성형하여 직경이 12.7㎜ 이고 높이가 10㎜ 인 성형체를 제조한 후, 유도 가열로를 이용하여 질소분위기하에서 분당 150℃ 의 승온속도로 가열하여 1200℃ 에서 1시간 탄화한 후, 탄화체의 겉보기 밀도와 압축강도를 측정한 결과, 탄소성형체의 겉보기 밀도는 1.54g/㎤ 이었고, 압축강도는 808kg/㎠ 이었다.

[비교예 2]

상기 발명예 (4)와 동일한 방법으로 탄소성형체를 제조하되, 단 핏치분말을 산화처리하지 않았다. 탄화후, 탄소성형체는 용융하는 본래의 형태로부터 많이 변형되어 있었다.

[비교예 3]

상기 발명예(4)와 동일한 방법으로 탄소성형체를 제조하되, 단 핏치분말의 크기를 125-250㎛ 로 분급하여 사용하였다. 탄화후 탄소성형체의 밀도는 1.23g/㎤ 이었고, 압축강도는219kg/㎠ 이었다.

상기 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 산화처리를 통하여 적정량의 산소함량을 가진 산회핏치분말을 급속탄화하여 탄소성형체를 제조한 발명예(1)-(4)의 경우 밀도 및 고강도의 탄소성형체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

반면에, 비교예(1)과 같이 탄화시 승온속도가 느린 경우에는 탄소성형체의 밀도와 압축강도가 저하하였고, 비교예(2)와 같이 산화처리를 하지 않은 경우에는 탄화시핏치분말의 용융에 의해 성형체가 변형하였으며, 비교예(3)과 같이 산화처리조건이 적절하더라도 핏치분말의 크기가 과도하면 소결에 의한 치밀화가 불충분하여 탄소성형체의 밀도와 압축강도의 저하 요인이 되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 핏치분말을 산화처리함으로써 적절한 산소함량을 지닌 산화 핏치분말을 제조하고, 이를 원료로 가압성형 및 급속탄화물 수행함으로써, 고밀도 및 고강도의 탄소성형체를 제조할 수있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 탄소성형체의 제조방법에 있어서, 연화점이 280℃ 이상인 핏치를 100㎛ 이하인 분말로 분쇄한 후, 산소 분위기하에서 200-270℃ 에서 0.5-24 시간 산화처리하여 산화핏치 분말을 제조한 다음, 상기 산화핏치분말을 100-2000kg/㎠ 의 압력으로 가압성형한 후, 불활성 분위기에서 분당 50-500℃ 의 승온속도 범위로 900-1500℃의 온도 범위까지 승온하여 탄화하는 것을 포함하여 이루어지는 탄소성형체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화 핏치분말은 산소함량이 7-15중량%인 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.